JP6029988B2 - アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク同士を積層して形成した積層部位をアーク溶接にて接合するアーク溶接方法に関する。

アーク溶接は、例えば、ワーク同士を積層して形成した積層部位を接合する手法の１つとして周知であり、広汎に実施されるに至っている。一般的には、積層部位の最上層側でアーク放電がなされ、特許文献１に記載されるように、これにより前記最上層から最下層までの全てのワークと、前記アーク放電内に供給された溶加材が溶融して溶融プールが形成される。この溶融プールが冷却固化することによって、積層部位が接合一体化される。

この種のアーク溶接において、特許文献２に記載されるように、酸化物や炭化物の粒子を補強材として溶接箇所に供給することが知られている。また、特許文献３には、肉盛り溶接を行うべく、溶融プールに対して粉末を供給することが提案されている。

特許第３６８１９６４号公報 特許第２９５９８４２号公報 特公平６−７５７９２号公報

溶加材としては、その成分組成比がワークと同一のもの、又は略同一であるものが採用されるのが一般的である。従って、例えば、ＪＩＳに規定される高張力鋼（いわゆるハイテン鋼）からなるワーク同士の積層部位をアーク溶接にて接合する場合、溶加材としては、高張力鋼の成分組成比に準じた成分組成比のものが選定される。

しかしながら、高張力鋼は概して高価であり、必然的に溶加材も高価である。このため、高張力鋼からなるワーク同士をアーク溶接にて接合する際の材料コストを低廉化することが容易ではないという不具合がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、鋼材製ワーク同士をアーク溶接にて接合する際の溶加材として安価なものを採用することが可能であり、このために材料コストの低廉化を図ることができるアーク溶接方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、鋼材製ワーク同士を積層して形成した積層部位を、溶加材を用いるアーク溶接にて接合するアーク溶接方法において、
アーク放電によって前記積層部位を最上層から最下層まで全て溶融して溶融プールを形成する工程と、
前記溶融プールに対し、前記溶加材に含まれていない元素を含有した粉末を供給する工程と、
前記溶加材をアーク放電内に供給し、前記粉末が供給された前記溶融プールに対して前記溶加材由来の元素を添加してアーク溶接を行う工程と、
を有することを特徴とする。

すなわち、本発明においては、溶加材に含まれていない元素を、溶加材とは別途に粉末から供給するようにしている。このため、鋼材製ワークが高張力鋼からなる場合であっても、溶加材として、一般鋼に対してアーク接合を行う際に用いられる安価な一般鋼対応材を採用することができる。換言すれば、高価な高張力鋼対応材を溶加材として用いる必要がない。このため、材料コストの低廉化を図ることができる。

しかも、アーク溶接の場合、溶融プールで対流が生じる。このため、溶融プールに添加された粉末（又はその溶融物）が溶融プール、ひいてはその冷却固化物である溶接ビードの全体に拡散する。このため、全体にわたって物性が略均等である溶接ビードを得ることができる。このような溶接ビードでは、例えば、接合強度が局所的に小さくなることを回避することができる。

上記した溶融プールの対流は、溶接電流値が大きいほど活発となる。そして、この場合、溶融プールに添加された粉末（又はその溶融物）が溶融プール中を拡散することが容易となる。従って、粉末を添加するときには、溶接電流値を可及的に大きく設定することが好ましい。

その一方で、溶接電流値が大きい状態が長時間継続されると、溶融プールが液滴として積層部位から脱落する懸念がある。これを回避するべく、溶加材をアーク放電内に供給する前に、溶接電流値を粉末の供給開始時よりも小さくすることが好ましい。

また、積層部位の接合は、スポット接合として行うことが好ましい。この場合、ライン接合を行う場合に比してアークの揺らぎが小さい。従って、粉末を供給する間、その供給量を略一定とすることができる。換言すれば、粉末の供給量が安定する。

前記元素としては、鋼材の強度を向上させる元素であることが好ましい。この場合、例えば、鋼材製ワークが高張力鋼からなり、且つ溶加材として一般鋼対応材を採用したときであっても、十分な強度を示す溶接ビードを低コストで形成することができる。

この種の元素としては、Ｃｒ、Ｍｏ又はＮｉ等を挙げることができる。従って、前記粉末として、Ｃｒ、Ｍｏ又はＮｉの少なくともいずれかを含む粉末を供給することが好ましい。粉末は、純金属の粉末であってもよいし、合金の粉末であってもよい。又は、２種以上の純金属の粉末を混合したもの、２種以上の合金の粉末を混合したもの、１種以上の純金属粉末と１種以上の合金粉末を混合したものであってもよい。

また、鋼材製ワークの好適な例としては、上記したように高張力鋼を挙げることができる。

本発明によれば、溶加材に含まれていない元素を、溶加材とは別途に粉末から供給するようにしている。すなわち、例えば、鋼材製ワークが高張力鋼からなる場合、溶加材として、例えば、一般鋼に対してアーク接合を行う際に用いられる一般鋼対応材を採用し、該溶加材に含まれていないＣｒやＭｏ等の成分を粉末由来のものとして供給する。

従って、高張力鋼対応材を溶加材として用いる必要がない。このため、材料コストの低廉化を図ることができる。

アーク溶接装置の要部概略一部縦断面図である。 本発明の実施の形態に係るアーク溶接方法の概略タイムチャートの一例である。 前記アーク溶接方法の概略タイムチャートの別の一例である。 前記アーク溶接方法の概略タイムチャートのまた別の一例である。 前記アーク溶接装置において粉末の供給を開始した状態を示す要部概略一部縦断面図である。 前記アーク溶接装置においてアーク溶接を開始した状態を示す要部概略一部縦断面図である。

以下、本発明に係るアーク溶接方法につき、これを実施するアーク溶接装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、アーク溶接装置１０の要部概略一部縦断面図である。このアーク溶接装置１０は、例えば、図示しないロボットの先端アームに設けられ、第１ワーク１２、第２ワーク１４及び第３ワーク１６の平坦部位同士を積層して形成した積層部位に対してアーク溶接を行うためのものである。

本実施の形態では、これら第１ワーク１２、第２ワーク１４及び第３ワーク１６はいずれも高張力鋼からなり、従って、第１ワーク１２、第２ワーク１４及び第３ワーク１６は全て鋼材製ワークである。また、この中では、第２ワーク１４の平坦部位の厚みが最大に設定されている。なお、参照符号１８は溶融プール（後述）を示す。

このような積層部位に対してアーク溶接を行うアーク溶接装置１０は、前記積層部位の最上層である第３ワーク１６側からアーク放電を行うプラズマトーチ２０と、粉末２２を供給するための粉末供給機２４と、溶加材２６を保持したホルダ２８とを有する。

プラズマトーチ２０には、長尺棒形状をなす電極３０と、この電極３０を囲繞するプラズマガスノズル３２と、該プラズマガスノズル３２を囲繞する図示しないシールドガスノズルとが設けられる。プラズマガスノズル３２からはプラズマガスが噴出され、一方、シールドガスノズルからはシールドガスが噴出される。なお、参照符号３４はアーク（後述）である。

粉末供給機２４としては、例えば、アルファ社製のダストディパーチャα（製品名）等の市販品を採用することができる。なお、ダストディパーチャαは、粉末２２を１分毎に数ｍｇ単位で高精度に供給することが可能である。

ここで、粉末２２としては、溶加材２６に含まれていない元素を含むものが選定される。特に、第１ワーク１２、第２ワーク１４及び第３ワーク１６をなす高張力鋼に固溶してその強度を向上させる元素を含有するものが好ましい。

この種の元素の典型例としては、Ｃｒ、Ｍｏ又はＮｉ等を挙げることができる。粉末２２は、このような金属単体（すなわち、純金属）の粉末であってもよいし、例えば、Ｃｒ合金等の合金の粉末であってもよい。これらの粉末は、比較的安価で入手が容易であるという利点がある。又は、２種以上の純金属粉末、２種以上の合金粉末、１種以上の純金属粉末と１種以上の合金粉末を混合した混合粉末であってもよい。

粉末供給機２４からプラズマトーチ２０にかけては、フィードライン３６が設けられる。粉末供給機２４から導出された粉末２２は、フィードライン３６を介してプラズマトーチ２０の近傍に送られる。

ホルダ２８は、溶加材２６（溶接ワイヤとも呼称される）を、プラズマトーチ２０に対して突出する方向に前進可能に保持する。この溶加材２６は、粉末２２に含有される前記元素を含まない鋼材からなる。すなわち、例えば、粉末２２がＣｒ粉末である場合には、Ｃｒを含まない鋼材が溶加材２６として選定される。溶加材２６の成分組成比は、例えば、Ｃ；０．０９重量％、Ｓｉ；０．６重量％、Ｍｎ；１．２５重量％、Ｐ；０．０１重量％、Ｓ；０．０１重量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。比較のために高張力鋼製ワーク同士をアーク溶接にて接合する際に用いられる高張力鋼対応材からなる溶加材２６の成分組成比の一例を示すと、Ｃ；０．０５重量％、Ｓｉ；０．７８重量％、Ｍｎ；２．１１重量％、Ｐ；０．０１重量％、Ｓ；０．０６重量％、Ｃｒ；０．１７重量％、Ｍｏ；０．４４重量％、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。

次に、本実施の形態に係るアーク溶接方法につき説明する。このアーク溶接方法は、その概略タイムチャートである図２〜図４に示されるように、アーク放電によって溶融プール１８（図１参照）を形成する第１工程Ｓ１と、溶融プール１８に対して前記粉末２２を供給する第２工程Ｓ２と、前記溶加材２６をアーク３４内に供給する第３工程Ｓ３とを有する。なお、図２〜図４の相違については後述する。

図２を例として説明すると、先ず、第１工程Ｓ１においてアーク放電が行われる。このため、前記ロボットが所定の動作を行い、その結果、積層部位の最上層である第３ワーク１６にプラズマトーチ２０が対向する。

この状態でプラズマガスノズル３２からプラズマガスが噴出されるとともに、電極３０（図１参照）と第３ワーク１６との間に、図示しない電源の作用下に電圧が印加される。その結果、所定の溶接電流下にアーク３４が発生する。また、シールドガスノズルからシールドガスが噴出され、必要であれば、さらに炭酸ガスが噴出される。すなわち、アーク溶接は、ＭＩＧ溶接又はＭＡＧ溶接のいずれであってもよい。

積層部位中のアーク３４が接触した箇所は、第３ワーク１６側から局所的に溶融する。最終的に、最下層である第１ワーク１２も溶融し、その結果、第３ワーク１６（最上層）から第１ワーク１２（最下層）に至る全てが溶融することで溶融プール１８が形成される。

次に、第２工程Ｓ２において、図５に示すように、前記粉末供給機２４（例えば、ダストディパーチャα）の作用下に、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等の少なくともいずれかを含む粉末２２が供給される。粉末２２は、フィードライン３６を伝わり、プラズマガスノズル３２の近傍からアーク３４中に投入される。粉末２２は、このアーク３４中で溶融した液相として、又は固相のままで溶融プール１８に添加される。

溶融プール１８では、アーク放電によって溶融物に対流が生じている。従って、溶融プール１８に到達した粉末２２（又はその溶融物）は対流によって撹拌され、これにより溶融プール１８の全体にわたって略均一に拡散する。粉末２２が固相のままで溶融プール１８に添加された場合には、溶融プール１８に添加された際、又はこの撹拌（拡散）の最中に溶融する。

この時点では、図２に示すように、溶接電流値が高く設定される。従って、溶融プール１８では対流・撹拌が活発である。このため、粉末２２が固相のまま溶融プール１８に添加された場合であっても、該粉末２２が溶融プール１８中に拡散することが容易である。

このようにして粉末２２（又はその溶融物）が溶融プール１８中に拡散する結果、溶融プール１８の冷却固化物である溶接ビードの強度が優れたものとなる。

積層部位に大きな接合強度が必要であるときには、粉末２２の供給量が多く設定される。換言すれば、粉末２２の供給開始から供給停止までの時間、すなわち、第２工程Ｓ２の継続時間が比較的長い（図２中の「Ｓ２」参照）。

そして、粉末２２の供給（第２工程Ｓ２）を継続しながら、第３工程Ｓ３を開始する前に溶接電流を低減する。このように、溶接電流値が粉末２２の供給開始時よりも小さくされることにより、溶融プール１８が液滴として積層部位から脱落することを回避することができる。

溶接電流値が低減された直後、第３工程Ｓ３が開始される。すなわち、図６に示すように、ホルダ２８から溶加材２６が一層突出するように前進する。その結果、溶加材２６の先端がアーク３４に接触し、これにより溶融されて液相として溶融プール１８に添加される。

溶融プール１８では、上記したように対流が生じている。従って、溶加材２６の溶融物も撹拌されて溶融プール１８中を拡散する。第３工程Ｓ３では、上記したように第２工程Ｓ２に比して溶接電流値が低減されているので、溶融プール１８の対流・撹拌の程度が小さくなっているが、液相は拡散が比較的容易であるので、溶加材２６の溶融物は溶融プール１８中を十分に拡散する。

図２に示すように、第３工程Ｓ３が終了する直前に粉末２２の供給が停止される。すなわち、この場合、粉末２２の供給停止（第２工程Ｓ２の終了タイミング）は、第３工程Ｓ３が終了する直前である。

その後、前記電源からの電圧印加、すなわち、溶接電流の供給が停止される。これに伴って積層部位に対するアーク放電が終了する。このことから諒解されるように、本実施の形態では、局所的なアーク溶接、すなわち、スポット接合が実施される。

アーク放電が終了すると、溶融プール１８が大気に接触するようになる。このため、該溶融プール１８から放熱が起こり、その結果、該溶融プール１８が冷却固化する。すなわち、いわゆる溶接ビードが形成される。溶融プール１８が第１ワーク１２（最下層）から第３ワーク１６（最上層）にわたって形成されるので、溶接ビードも第１ワーク１２から第３ワーク１６にわたって存在する。

溶接ビードは、溶加材２６由来の成分（元素）と、粉末２２由来の成分（元素）を含む固溶体からなる。すなわち、先に例示した溶加材２６には、高張力鋼に含まれるＣｒ、Ｍｏが含まれていないが、例えば、Ｃｒ粉末とＭｏ粉末の混合粉末をアーク３４に供給することにより、Ｃｒ、Ｍｏが拡散固溶した溶融ビードを得ることができる。従って、溶融プール１８、ひいては溶接ビードの成分組成比を、高張力鋼に準じたものに調整することができる。

以上のように、本実施の形態においては、溶加材２６に含まれていない元素を、溶加材２６とは別途に粉末２２から供給するようにしている。このため、高張力鋼からなる第１ワーク１２、第２ワーク１４及び第３ワーク１６を接合する場合、溶加材２６として、高価な高張力鋼対応材からなるものを用いる必要がない。

換言すれば、本実施の形態によれば、溶加材２６として安価な一般鋼からなるものを採用することができる。このため、材料コストの低廉化を図ることができる。

上記した高張力鋼対応材からなる溶加材２６を用いたとき、１打点あたりの溶接ビードの成分組成比の一例は、Ｃ；２．５ｍｇ、Ｓｉ；３９ｍｇ、Ｍｎ；１０６ｍｇ、Ｐ；０．５ｍｇ、Ｓ；３ｍｇ、Ｎｉ；１０３ｍｇ、Ｃｒ；８．５ｍｇ、Ｍｏ；２２ｍｇ、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。一方、先に例示した溶加材２６を用いるとともに、Ｃｒ粉末及びＭｏ粉末が重量比で１：１で混合された混合粉末を１００ｍｇ添加したときの溶接ビードの成分組成比の一例は、Ｃ；４．５ｍｇ、Ｓｉ；３０ｍｇ、Ｍｎ；６２．５ｍｇ、Ｐ；０．５ｍｇ、Ｓ；０．５ｍｇ、Ｃｒ；５０ｍｇ、Ｍｏ；５０ｍｇ、残部がＦｅ及び不可避的不純物である。

また、ＣｒやＭｏは、溶融ビード中に略均一に拡散している。上記したように粉末２２（又はその溶融物）を溶融プール１８に添加するときには、該溶融プール１８中に生じた対流が活発であり、このために粉末２２が溶融プール１８中の全体にわたって容易に拡散するからである。

従って、溶接ビードは全部位にわたって略均質である。このため、例えば、溶接ビード中に接合強度が他の部位に比して小さい部位が局所的に形成されること等が回避される。

しかも、本実施の形態では、スポット接合を行うようにしている。この場合、プラズマトーチ２０を直線状に変位させるライン接合に比してアーク３４に揺らぎが生じ難い。このため、１打点あたりの溶接ビードに含まれる粉末２２の量が安定するという利点がある。

積層部位にさほどの接合強度が必要ないときは、図３に示すように、粉末２２の供給量が少なく設定される。換言すれば、粉末２２の供給開始から供給停止までの時間、すなわち、第２工程Ｓ２の継続時間が短い（図３中の「Ｓ２」参照）。

一方、接合強度を大きくするには、図４に示すように粉末２２の供給量を増加すればよい。すなわち、粉末２２の供給時間を長くする。以上のように、図２は接合強度を中程度とする場合の概略タイムチャートであり、図３は接合強度をそれよりも小さくする場合の概略タイムチャート、図４は接合強度を大とする場合の概略タイムチャートである。

図３に示すパターンでは、粉末２２の供給タイミング（第２工程Ｓ２の開始タイミング）は図２に示すパターンよりも若干遅い。そして、溶加材２６をアーク放電内に供給する第３工程Ｓ３を開始する前に、粉末２２の供給が停止される。

また、図４に示すパターンでは、粉末２２の供給タイミング（第２工程Ｓ２の開始タイミング）は、図２に示すパターンよりもさらに早い。そして、溶加材２６をアーク放電内に供給する第３工程Ｓ３の開始と同時に、粉末２２の供給量が増加される。粉末２２の供給は第３工程Ｓ３の最中も継続され、その供給停止（第２工程Ｓ２の終了タイミング）は、第３工程Ｓ３が終了する直前である。

図２及び図４に示すパターンでは、溶加材２６に対して粉末２２が溶射されることになる。従って、溶加材２６は、例えば、粉末２２によって強度が向上し、この状態で、溶融プール１８に供給される。

特に、図４に示すパターンでは、溶融プール１８に粉末２２を添加することによる溶接ビードの強度と、溶加材２６に対して粉末２２を溶射することによる溶加材２６の強度とを同程度とすることにより、強固で均質な溶接ビードを得ることができる。

図３及び図４に示すパターンにおいても、第３工程Ｓ３が開始される直前に溶接電流値が低減されている。上記同様に、これにより溶融プール１８が液滴として積層部位から脱落することを回避することができる。

第２工程Ｓ２において、溶融プール１８に直接、又は溶加材２６への溶射物として間接的に供給される粉末２２の量は、溶融プール１８に対して０．１〜５重量％であることが好ましい。勿論、必要な接合強度が大きくなるに従って、すなわち、図３に示すパターン、図２に示すパターン、図４に示すパターンの順序で、粉末２２の供給量を多くすればよい。接合強度は、打点毎に相違させるようにしてもよい。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、高張力鋼ではなく一般鋼からなる鋼材製ワーク同士を接合するようにしてもよい。この場合、粉末２２は、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉの群から選定された１種以上であってもよいし、Ｗ、Ｖ、Ｍｎの群から選定された１種以上であってもよい。勿論、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｗ、Ｖ、Ｍｎの群から１種以上を選定するようにしてもよい。

１０…アーク溶接装置 １２、１４、１６…ワーク
１８…溶融プール ２０…プラズマトーチ
２２…粉末 ２４…粉末供給機
２６…溶加材 ２８…ホルダ
３０…電極 ３２…プラズマガスノズル
３４…アーク ３６…フィードライン

Claims (6)

1. 鋼材製ワーク同士を積層して形成した積層部位を、溶加材を用いるアーク溶接にて接合するアーク溶接方法において、
   アーク放電によって前記積層部位を最上層から最下層まで全て溶融して溶融プールを形成する工程と、
   前記溶融プールに対し、前記溶加材に含まれていない元素を含有した粉末を供給する工程と、
   前記溶加材をアーク放電内に供給し、前記粉末が供給された前記溶融プールに対して前記溶加材由来の元素を添加してアーク溶接を行う工程と、
   を有することを特徴とするアーク溶接方法。
2. 請求項１記載のアーク溶接方法において、前記溶加材をアーク放電内に供給する前に、前記粉末の供給開始時よりも溶接電流値を小さくすることを特徴とするアーク溶接方法。
3. 請求項１又は２記載のアーク溶接方法において、前記積層部位の接合をスポット接合として行うことを特徴とするアーク溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接方法において、前記元素が、鋼材の強度を向上させる元素であることを特徴とするアーク溶接方法。
5. 請求項４記載のアーク溶接方法において、前記粉末としてＣｒ、Ｍｏ又はＮｉの少なくともいずれかを含む粉末を供給することを特徴とするアーク溶接方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法において、前記鋼材製ワークとして高張力鋼からなるものを用いることを特徴とするアーク溶接方法。

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